Evaluación de Toxicidad de Distintos Biochars Derivados de Lodos
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Evaluación de la fitotoxicidad de distintos biochars derivados de lodos de depuradora (EDAR)
Proyecto realizado por:
José Ramón Gimeno AguirregomozcortaIngeniería Técnica Agrícola (Industrias Agrarias)
¿Qué es biochar?
• Carbón vegetal obtenido a partir de la carbonización de la biomasa con beneficios agrícolas y ambientales.
• Biomasa:• Natural: hojas, ramas, estiércol.• Residual: lodos de depuradora.
• Procesos termoquímicos: pirólisis
Introducción
Terra Preta
• Suelos fértiles ricos en carbón encontrados en zonas amazónicas.
• Consecuencia de una mezcla de huesos, estiércol y carbón vegetal sobre suelos poco fértiles llevadas a cabo por amerindios para aprovechar sus cultivos.
• Mucho mas fértil que otros tipos de suelo.
• Ayuda a secuestrar carbono y puede reducir las emisiones de GEI presentes en la atmósfera.
Introducción
Composición y estructura de Biochar
• Composición compleja debido a:– Materia prima heterogénea.– Variedad de reacciones químicas durante su producción.
• Estructura:– Estructura porosa: ideal para la retención de nutrientes,
microorganismos, y agua en sus poros.– Compuestos aromáticos y hexagonales: enlaces de 6
carbonos en forma de anillo con hidrogeno y oxígeno, tipo benceno, que pueden originar toxicidad.
Introducción
Propiedades de biochar
• Puede resultar un buen fertilizante (en la mayoría de los casos)
• Puede presentar problemas debido a efectos fitotóxicos.
Dependen de: • Condiciones del proceso de elaboración de la materia
prima (temperatura, tipo de pirólisis…)• Tipo de suelo, clima o dosis aplicada
Introducción
Efectos de biochar en suelos
• Aumentan la capacidad de intercambio catiónico.
• Aumenta el pH en suelos ácidos.
• Incrementa la capacidad de retención hídrica.
• Aumenta la retención de nutrientes.
• Pueden reducir el requerimiento de fertilizantes.
• Ayuda al secuestro de carbono y a reducir niveles de GEI presentes en la atmosfera.
Introducción
OBJETIVOS
• Evaluación de tres biochars derivados de lodos de EDAR:
– Caracterización de los tres biochars obtenidos.
– Comparación de los tres biochars por su efecto en la germinación: • En medio líquido• De sus emisiones gaseosas
– Comparación de la aplicación agronómica de los tres biochars en el desarrollo inicial de un cultivo de maíz.
Producción de biochar• Lodos de depuradora como materia prima:
– EDAR: Estación de Depuradoras de Aguas Residuales (Butarque, Madrid).
– Previamente sometidos a secado térmico y digestión anaerobia.– Introducidos en reactores para el proceso de pirólisis.
• Biochars obtenidos en tres reactores:– Reactor discontinuo.– Reactor de tornillo sinfín.– Reactor de lecho fluidizado.
• El proceso de pirolisis se ha realizado en los reactores del Instituto de Investigación (I3A) de la Universidad de Zaragoza bajo la dirección de Javier Ábrego y Gloria Gea.
Material y metodología
Tipos de pirólisis• Concepto de pirólisis:
– Temperaturas moderadas (300-600 ºC)– Ausencia de oxigeno, evitando combustión completa– En una atmósfera inerte: gas inerte de barrido (N2)
– Pirolisis rápida:• Temperatura a 500ºC.• Tiempo de residencia del lodo: 5 minutos• Mayor producción de líquido (bio-oil)
– Pirolisis lenta:• Temperatura entre 300-600ºC.• Tiempo de residencia del lodo: 70 minutos• Mayor producción de sólido (biochar)
Material y metodología
Tipos de reactores• Reactor discontinuo agitado mecánicamente:
– Pirólisis lenta a 530 ºC– Tiempo de residencia de lodo: 88 minutos
• Reactor de tornillo sinfín:– Pirolisis lenta a 300 ºC– Tiempo de residencia de lodo: 25 minutos
• Reactor de lecho fluidizado:– Pirolisis rápida a 530 ºC– Tiempo de residencia: 5-7 minutos
Material y metodología
Evaluación de la toxicidad de los biochars
• Toxicidad en medio líquido en la germinación de maíz.
• Toxicidad por emisión gaseosa de cada tipo de biochar en semillas de berro.
• Toxicidad por emisión gaseosa de cada tipo de biochar en semillas de maíz.
• Evaluación del desarrollo inicial de maíz utilizando biochar como fertilizante.
Material y metodología
Toxicidad en medio líquido• Diseño de bloques al azar con 4 repeticiones y 12 semillas de
maíz como u.e. en placa Petri, método BP.
• Tratamientos:– Agua destilada (tratamiento control)– Dos tipos de soluciones para tres biochars: acuosa y nutritiva
• Tipos de soluciones:– Acuosa: mezcla de 20 gr. biochar y 600 ml. agua destilada (1:30)
filtrada posteriormente.
– Nutritiva: reproduciendo la composición inorgánica (Na+, Cl-, K+, NH+
4, SO2-4…) de cada una de las soluciones acuosas de los tres
biochars.
Material y metodología
Toxicidad en medio líquido
• Procedimiento:– Se aplica 5 ml de solución a testar a cada una de las placas.– Placas cerradas herméticamente e introducidas durante 7
días en un armario germinador a 25 ºC a oscuras.– Cada 2 días se aplicó solución adicional.
Material y metodología
Toxicidad por emisión gaseosa
• Dos tipos de ensayos realizados para semillas de berro y maíz.
• Diseño de bloques al azar con:– 3 repeticiones y 50 semillas de berro como u.e.– 3 repeticiones y 6 semillas de maíz como u.e.
• Tratamientos:– Agua destilada (tratamiento control)– Tres tipos de biochar obtenidos
Material y metodología
Toxicidad por emisión gaseosa• Se elaboró un dispositivo que permitió la realización del ensayo.
• Cerrado herméticamente e introducido en un armario germinador a 20 ºC durante 10 días.
• Intensidad lumínica de 3000 lx. (12 h/día)• Se pesa en fresco a los 10 días• Se considera que hay un efecto toxico si el peso es inferior al 80%
del peso del tratamiento control (Busch et al, 2010)
Material y metodología
Biochar como fertilizante• Ensayo en invernadero, 3 repeticiones de 10 macetas con:– Mezcla heterogénea de tierra y arena– 10 semillas de maíz como u.e.
• Tratamientos:– Tratamiento control sin adición de biochar– Dosis de 22,5 gr/ maceta (equivalente a 20 t/ha) de cada
tipo de biochar
Material y metodología
Biochar como fertilizante• Procedimiento tras su tratamiento:– Se colocan las macetas en una bandeja– Riego cada 2 días durante 3 semanas– Los tallos desarrollados se cortan y se secan en una estufa
de convección natural durante a 45 ºC durante 48 horas.
Material y metodología
Composición química de cada tipo de biochar
• Composición química obtenida a partir del análisis de las soluciones acuosas (1:30) de biochar
• Características químicas:
– El biochar de reactor discontinuo presentó un pH básico alto
– El biochar de lecho fluidizado presentó una elevada C.E. debido a una mayor concentración en cationes y sulfatos.
Biochar pH C.E. (dS /m)
Reactor discontinuo 8.30 0.18
Tornillo 7.20 0.20
Lecho fluidizado 7.30 0.36
Resultados y discusión
Resultados germinación en medio líquido
• Germinación adecuada en placa Petri
• Variables:– Porcentaje de germinación– Longitud de brotes apicales y radiculares
Resultados y discusión
Resultados germinación en medio líquido• Porcentaje de germinación:
• S.N.: Solución Nutritiva ; S.A.: Solución Acuosa
• No hay riesgo de toxicidad• Los compuestos orgánicos no originan tóxicidad durante el
desarrollo de las semillas
Resultados y discusión
Resultados germinación en medio líquido• Longitud de brotes apicales y radiculares
• S.N.: Solución Nutritiva ; S.A.: Solución Acuosa
• En otros estudios (Rogovska et al, 2012) , los compuestos orgánicos de las soluciones acuosas de biochar perjudican en la germinación del maíz, presentando un carácter tóxico.
Resultados y discusión
Agua Desti-lada (tes-
tigo)
S.N. Disc. S.N. Tornillo
S.N. Fluid. S.A. Disc. S.A. Tornillo S.A. Fluid.0
5
10
15
20
25
Brotes apicales
Brotes radicularesTratamientos
Long
itud
(cm
.)
Resultados germinación por emisión gaseosa (berro)
• Presencia de toxicidad– Peso de la semilla de berro germinada en biochar inferior al
80% del peso del berro en tratamiento control
Resultados y discusión
Resultados germinación por emisión gaseosa (maíz)
• Mejor germinación que el berro, pero su peso no supera el 80% del tratamiento control
• Son semillas mas resistentes que las de berro, aunque también presentan toxicidad.
Resultados y discusión
Evaluación agronómica de los tres biochars
• El peso seco del tallo en los tratamientos con biochar fue inferior al 80% del peso del tratamiento control sin biochar.
• Los biochars ensayados han tenido un efecto negativo sobre el desarrollo inicial del cultivo de maíz.
Resultados y discusión
CONCLUSIONES• Los tres tipos de biochar tienen características químicas diferentes.
• El maíz germinó de manera correcta en las soluciones acuosas (1:30) de biochar sin presentar toxicidad.
• La germinación del berro y maíz se vio afectada negativamente por las emisiones gaseosas de los tres tipos de biochar ensayados.
• Los biochars ensayados (dosis equivalente a 20 t/ha) afectaron negativamente al desarrollo inicial de un cultivo de maíz.
• No se han detectado diferencias en el comportamiento de los tres tipos de biochar en los ensayos realizados.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN